Nature Energy：使用SnO2增强平板型高效钙钛矿太阳能电池的电子抽取能力

【引言】

近年来，研究人员通过薄膜晶体生长控制以及界面器件工程将钙钛矿太阳能电池效率从3.8%提升至22.1%，并使其吸引了人们大量的关注。到目前为止，通常TiO₂介孔结构在为钙钛矿太阳能电池提供高效率和稳定电力输出方面是最为成功的。但TiO₂介孔层需要一个高温(＞450℃)烧结过程，这不利于低成本、延伸性器件的制作。因此，没有TiO₂介孔层的平板结构钙钛矿太阳能电池就随之出现，其所有结构层的制备均在低温下进行。根据底部传输层类型，平板器件可分为n-i-p(正式)结构和p-i-n(反式)结构。使用富勒烯作为上端电子传输层时，反式结构一般表现出极小的滞后效应。但由于较差的结晶质量和有缺陷的界面群排列，反式结构的效率较低。对于正式结构，TiO₂致密层为电子传输层时，其反扫(从开路电压到短路电流)效率高出正扫(从短路电流到开路电压)效率许多，这也使得其很难获得一个可信的能量转换效率。为降低其滞后效应，研究人员利用富勒烯材料对TiO₂致密层表面进行改性，增强电子抽取能力。然而，富勒烯价格昂贵，在实际应用中不稳定。所以，对于正式平板结构钙钛矿太阳能电池仍需要一种低廉、稳定的具有较强电子抽取能力的电子传输层。

【成果简介】

近日，半导中科院半导体研究所体材料科学重点实验室游经碧研究员、张兴旺研究员等用SnO₂作为电子传输材料，将SnO₂纳米颗粒溶液旋涂在ITO玻璃基底上，形成了高结晶质量的电子传输层，并制成具有ITO/SnO₂/(FAPbI₃)_x(MAPbBr₃)_1-x/Spiro-OMeTAD/Au结构的钙钛矿太阳能电池。他们的研究成果证实在钙钛矿层晶粒边界处形成了PbI₂，在钙钛矿和PbI₂之间可能形成了一个碘类型的能带排列，它能阻止电子进入空穴传输层和减少电子与空穴的复合。他们发现钙钛矿中过量的PbI₂能够钝化钙钛矿层中存在的晶界缺陷等，在电池效率的提高上有一定的贡献。同时研究成果表明，SnO₂降低了钙钛矿层和电子传输层界面间的能垒，提高电荷传输和减少电荷在界面处的积累，增强了电子的抽取能力，从而消除了测试过程中伏安曲线的滞后效应。他们所获得的最好的钙钛矿太阳能电池反扫效率为20.27%，正扫效率为20.54%，认证效率为20.51%，滞后效应可以忽略不计。在可见光区域，其外量子效率可达到93%。钙钛矿层中离子的迁移会增加界面处电荷的积累，导致滞后效应的产生，如果电子传输层具有足够强的电子抽取能力，就可避免甚至是完全消除滞后效应。

【图文导读】

图1：SnO₂纳米颗粒的特性

(a)沉积在铜网上的SnO₂纳米颗粒的TEM图；

(b)SnO₂纳米颗粒的高分辨TEM图；

(c)SnO₂纳米颗粒的选区电子衍射图（SAED）；

(d)SnO₂纳米颗粒的XRD图谱；

(e)沉积在ITO玻璃基底上的SnO₂纳米颗粒的SEM图；

(f)沉积在玻璃基底上的SnO₂薄膜不同波长下的透射光谱。

图2：SnO₂、TiO₂纳米颗粒和钙钛矿层的能带结构特性

(a)SnO₂、TiO₂和钙钛矿层的紫外光光电子谱（UPS）截止边；

(b)由UPS测量得到的SnO₂、TiO₂和钙钛矿层的价带谱；

(c)根据导带情况得到的SnO₂和钙钛矿层的可能的能级匹配；

(d)由空间电荷限制电流模型得到的ITO/Al/metal oxides/Al结构中SnO₂和TiO₂胶体膜的log(J)-log(V)散点图

图3：金属氧化层和钙钛矿层之间的电荷运输特性

(a)沉积在玻璃上的(FAPbI₃)_0.97(MAPbBr₃)_0.03、SnO₂和TIO₂各自的光致发光谱；

(b)沉积在玻璃上的(FAPbI₃)_0.97(MAPbBr₃)_0.03、SnO₂和TIO₂各自的时间分辨光致发光谱。

图4：钙钛矿形貌和结构以及电池器件结构

(a.b)钙钛矿薄膜于135 ℃下退火20 min和150 ℃下退火20 min后各自的SEM图；

(c)钙钛矿薄膜于130 ℃和150 ℃下退火后的XRD谱图。

图5：以SnO₂为电子传输层材料的钙钛矿太阳能电池的性能

(a)钙钛矿层中含过量PbI₂和无过量PbI₂时电池的性能；

(b)最佳电池的反扫（1.2 V到0 V）和正扫（0 V到1.2 V）结果图；

(c)最佳电池的外量子效率以及集成短路电流密度；

(d)一批40片电池的效率分布（红色曲线是数据的高斯函数拟合线）。

图6：具有不同电子传输层的电池中的电荷转移

(a)电子传输层分别为SnO₂和TiO₂各自的瞬态光电流衰减曲线；

(b)电子传输层分别为SnO₂和TiO₂各自的瞬态光电压衰减曲线。

文献连接：Enhanced electron extraction using SnO2 for high-effciency planar-structure HC(NH2)2PbI3-based perovskite solar cells（Nature Energy, 2016, DOI:10.1038/NENERGY.2016.177）

本文由材料人新能源学术小组黄M吉整理。
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